(Sageli) tähelepanuta jäetud eksperiment, mis paljastas kvantmaailma | Ajakiri Quanta

Enne kui Erwin Schrödingeri kass oli samaaegselt surnud ja elus ning enne, kui punktitaolised elektronid lainetena läbi õhukeste pilude uhtusid, kergitas kvantmaailma hämmastavalt kaunilt loori mõnevõrra vähemtuntud eksperiment. 1922. aastal näitasid saksa füüsikud Otto Stern ja Walther Gerlach, et aatomite käitumist reguleerivad ootused trotsivad reeglid – tähelepanek, mis kinnitas veel tärkavat kvantmehaanika teooriat.

"Stern-Gerlachi eksperiment on ikoon - see on epohhaalne eksperiment," ütles Bretislav Friedrich, füüsik ja ajaloolane Fritz Haberi instituudis Saksamaal, kes hiljuti avaldas ülevaade ja redigeeritud raamat teemal. "See oli tõepoolest üks kõigi aegade tähtsamaid füüsikakatseid."

Eksperimendi tõlgendus ka käivitatud aastakümneid kestnud vaidlused. Viimastel aastatel on Iisraelis asuvad füüsikud lõpuks suutnud luua vajaliku tundlikkusega katse, et selgitada täpselt, kuidas peaksime mõistma töös olevaid põhilisi kvantprotsesse. Selle saavutusega lõid nad uue tehnika kvantmaailma piiride uurimiseks. Meeskond püüab nüüd muuta Sterni ja Gerlachi sajandivanust seadet, et uurida gravitatsiooni olemust – ja võib-olla ehitada silda kaasaegse füüsika kahe samba vahele.

Aurustav hõbe

1921. aastal oli arusaam, et füüsika tavaseadused erinevad väikseimas mastaabis, ikka veel üsna vaieldav. Niels Bohri välja pakutud uus valitsev aatomiteooria elas argumendi tuumas. Tema teoorias oli tuum, mida ümbritsesid fikseeritud orbiitidel olevad elektronid – osakesed, mis võisid keerleda ainult teatud kaugusel tuumast, teatud energiaga ja teatud nurkade all magnetväljas. Bohri ettepaneku piirangud olid nii jäigad ja näiliselt meelevaldsed, et Stern lubas füüsikast loobuda, kui mudel osutub õigeks.

Stern mõtles välja katse, mis võiks Bohri teooria kehtetuks muuta. Ta tahtis testida, kas magnetväljas olevaid elektrone saab suunata mis tahes viisil või ainult diskreetsetes suundades, nagu Bohr oli pakkunud.

Stern kavatses hõbedaproovi aurustada ja kontsentreerida aatomikiire. Seejärel tulistas ta selle kiire läbi ebaühtlase magnetvälja ja kogus aatomid klaasplaadile. Kuna üksikud hõbedaaatomid on nagu väikesed magnetid, kaldub magnetväli neid sõltuvalt nende orientatsioonist erineva nurga all. Kui nende välimisi elektrone saaks tahtmatult orienteeruda, nagu klassikaline teooria ennustas, moodustaksid kõrvalekaldud aatomid piki detektorplaati ühe laia laigu.

Kuid kui Bohril oli õigus ja väikesed süsteemid, nagu aatomid, järgiksid kummalisi kvantireegleid, saaksid hõbeda aatomid väljast läbida ainult kaks teed ja plaat näitaks kahte eraldiseisvat joont.

Sterni idee oli teoreetiliselt piisavalt lihtne. Kuid praktikas oli katse ülesehitamine – mille ta jättis Gerlachile – sama, mida Gerlachi magistrant Wilhelm Schütz kirjeldas hiljem kui "Sisyphose-laadset tööjõudu". Hõbeda aurustamiseks pidid teadlased selle kuumutama rohkem kui 1,000 kraadini Celsiuse järgi, ilma et sulataks ühtki klaasist vaakumkambri tihendit, mille pumbad samuti korrapäraselt purunesid. Eksperimendi vahendid said otsa, sest Saksamaa sõjajärgne inflatsioon tõusis hüppeliselt. Albert Einstein ja pankur Henry Goldman päästsid lõpuks meeskonna oma annetustega.

Kui katse oli käimas, oli loetavate tulemuste saamine endiselt väljakutse. Kollektorplaat oli vaid murdosa naelapea suurusest, nii et hõbedasendis olevate mustrite lugemiseks oli vaja mikroskoopi. Võib-olla apokrüüfselt aitasid teadlased end kogemata välja küsitava laboratoorse etiketiga: hõbedavaru oleks olnud nähtamatu, kui poleks olnud nende sigaritest imbuvat suitsu, mis nende madalate palkade tõttu olid odavad ja väävlirikkad. aitas hõbedal areneda nähtavaks süsimustaks hõbesulfiidiks. (2003. aastal Friedrich ja kolleeg etendas selle episoodi uuesti ja kinnitas, et hõbedane signaal ilmus ainult odava sigarisuitsu juuresolekul.)

Hõbeda keerutamine

Pärast mitu kuud kestnud tõrkeotsingut veetis Gerlach terve 7. veebruari 1922 öö, tulistades detektori pihta hõbedat. Järgmisel hommikul töötas ta koos kolleegidega välja plaadi ja lõi kulda: kenasti kaheks jagatud hõbedasend, nagu suudlus kvantmaailmast. Gerlach dokumenteeris tulemuse mikrofotol ja saatis selle postkaardina Bohrile koos sõnumiga: "Õnnitleme teid teooria kinnitamise puhul."

Leid raputas füüsikaringkonda. Albert Einstein kutsutud see on "praegu kõige huvitavam saavutus" ja nimetas meeskonna Nobeli preemia kandidaadiks. Isidor Rabi ütles, et eksperiment "veenes mind lõplikult, et … kvantnähtused nõuavad täiesti uut suunda." Sterni unistused vaidlustada kvantteooriat olid ilmselgelt tagasi kukkunud, kuigi ta ei pidanud kinni oma lubadusest füüsikast loobuda; hoopis tema võitis Nobeli preemia 1943. aastal hilisema avastuse eest. "Mul on endiselt vastuväiteid... kvantmehaanika ilule," ütles Stern, "kuid tal on õigus."

Tänapäeval tunnistavad füüsikud, et Sternil ja Gerlachil oli õigus, kui tõlgendasid oma katset alles tekkiva kvantteooria kinnitusena. Kuid neil oli õigus valel põhjusel. Teadlased oletasid, et hõbeda aatomi jagunemise trajektoori määrab selle äärepoolseima elektroni orbiit, mis on fikseeritud teatud nurkade all. Tegelikkuses on lõhenemine tingitud elektroni sisemise nurkimpulsi kvantiseerimisest – suurust, mida nimetatakse spinniks ja mida ei avastataks veel mõne aasta pärast. Tõlgendus õnnestus õnnetult, sest teadlasi päästis Friedrichi sõnul "veider kokkusattumus, see looduse vandenõu": elektroni kaks senitundmatut omadust - selle spin ja anomaalne magnetmoment - juhtusid tühistama.

Munade purustamine

Sterni-Gerlachi eksperimendi õpiku selgituses öeldakse, et hõbeda aatomi liikumisel elektron ei pöörle üles ega alla. See on nende olekute kvantsegus või "superpositsioonis". Aatom läbib mõlemat teed korraga. Alles detektorisse löömisel mõõdetakse selle olekut ja fikseeritakse tee.

Kuid alates 1930. aastatest valisid paljud silmapaistvad teoreetikud tõlgenduse, mis nõudis vähem kvantmaagiat. Argument leidis, et magnetväli mõõdab tõhusalt iga elektroni ja määrab selle spinni. Need kriitikud väitsid, et idee, et iga aatom liigub korraga mõlemat teed, on absurdne ja tarbetu.

Teoreetiliselt saab neid kahte hüpoteesi testida. Kui iga aatom tõepoolest läbis magnetvälja kahe isikuga, siis peaks teoreetiliselt olema võimalik need kummituslikud identiteedid uuesti kombineerida. See tekitaks detektoris teatud interferentsi mustri, kui need ümber joonduvad - see näitab, et aatom tõepoolest navigeeris mõlemal marsruudil.

Suur väljakutse seisneb selles, et superpositsiooni säilitamiseks ja lõpliku interferentsisignaali genereerimiseks tuleb isikud jagada nii sujuvalt ja kiiresti, et kahel eraldatud üksusel oleks täiesti eristamatu ajalugu, nad ei teaks teisest ega saaks öelda, millist teed nad valisid. . 1980. aastatel leidsid mitmed teoreetikud, et elektronide identiteedi tükeldamine ja taasühendamine sellise täiuslikkusega oleks sama teostamatu kui rekonstrueerides Humpty Dumpty pärast tema suurt müürilt kukkumist.

2019. aastal aga füüsikute meeskond eesotsas Ron Folman Negevi Ben-Gurioni ülikoolis liiminud need munakoored tagasi koos. Teadlased alustasid Stern-Gerlachi katse reprodutseerimisega, kuigi mitte hõbedaga, vaid 10,000 XNUMX rubiidiumi aatomist koosneva ülejahutatud kvantkonglomeratsiooniga, mille nad püüdsid kinni ja manipuleerisid küünesuurusele kiibile. Nad panid rubiidiumi elektronide spinnid üles ja alla superpositsiooni, seejärel rakendasid erinevaid magnetimpulsse iga aatomi täpseks eraldamiseks ja taasühendamiseks, seda kõike mõne miljondiku sekundi jooksul. Ja nad nägid kõigepealt täpset interferentsi mustrit ennustada aastal 1927, lõpetades sellega Stern-Gerlachi ahela.

"Nad suutsid Humpty Dumpty uuesti kokku panna," ütles Friedrich. "See on ilus teadus ja see on olnud suur väljakutse, kuid nad on suutnud sellega toime tulla."

Kasvavad teemandid

Lisaks Sterni ja Gerlachi katse "kvantsuse" kontrollimisele aitab Folmani töö uus viis kvantrežiimi piiride uurimiseks. Tänapäeval pole teadlased ikka veel kindlad kui suured võivad olla objektid järgides samal ajal kvantkäske, eriti kui need on piisavalt suured, et gravitatsioon sekkuda. 1960. aastatel füüsikud soovitas et Stern-Gerlachi täissilmuskatse loob ülitundliku interferomeetri, mis aitaks seda kvantklassikalist piiri testida. Ja 2017. aastal laiendasid füüsikud seda ideed ja soovitasid tulistada pisikesi teemante läbi kahe naabruses asuva Stern-Gerlachi seadme, et näha, kas neil on gravitatsiooniline vastasmõju.

Folmani rühm töötab nüüd selle väljakutse nimel. Aastal 2021 nad välja toodud viis täiustada oma ühe aatomikiibiga interferomeetrit kasutamiseks makroskoopiliste objektidega, näiteks mõne miljoni aatomiga teemandid. Sellest ajast alates on nad näidanud a seeria of dokumendid kuidas suuremate ja suuremate masside jagamine on taas Sisyphoslik, kuid mitte võimatu, ja võib aidata lahendada hulga kvantgravitatsiooni mõistatusi.

"Stern-Gerlachi eksperiment on oma ajaloolise rolli täitmisest väga kaugel," ütles Folman. "See annab meile veel palju."

Quanta viib läbi mitmeid küsitlusi, et meie vaatajaskonda paremini teenindada. Võtke meie füüsika lugejaküsitlus ja teid osaletakse tasuta võitmiseks Quanta kaubad.